تحلیل و مطالعه تجربی نوسانات فشار در محفظه احتراق یک موتور سوخت جامد آزمایشگاهی

نوع مقاله : گرایش انتقال حرارت و پیشرانش

نویسندگان

1 استادیار مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی شریف، تهران

2 دانشجوی مقطع کارشناسی ارشد، مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی شریف، تهران و پژوهشگر، پژوهشکده سامانه‌های حمل‌ونقل فضایی، تهران * تهران، خیابان آزادی، دانشگاه صنعتی شریف، دانشکده مهندسی هوافضا

3 پژوهشگر، دکتری، پژوهشکده سامانه‌های حمل‌ونقل فضایی، پژوهشگاه فضایی، تهران

چکیده

هدف این پژوهش شناسایی فشار نوسانی در یک موتور سوخت جامد در مقیاس واقعی می­باشد. به این‌منظور ابتدا اندازه‌گیری فشار نوسانی در یک موتور سوخت جامد در ابعاد آزمایشگاهی انجام شده و دستگاه داده­برداری در این موتور آزمایش شده است. اهمیت نوسانات فشار به جهت تولید ارتعاشات در سازه موتور و محموله می‌باشد. بسامد نوسانات فشار در یک موتور سوخت جامد حول بسامد مد صوتی تغییر می­کند و بسامد مد صوتی نیز با طول محفظه موتور سوخت جامد رابطه عکس دارد. بنابراین، در موتورهای طول کوتاه، این بسامدِ نوسانات شدیدتر خواهد بود. به‌عبارت دیگر می توان از یک دستگاه اندازه‌گیری فشار نوسانی در یک موتور سوخت جامد کوچک و مقیاس شده، با اطمینان بیشتری در یک موتور با ابعاد واقعی و بزرگ استفاده نمود. در این پژوهش از یک حسگر فشار پیزوالکتریک و دستگاه داده برداری با نرخ داده برداری بالا استفاده شده است. نوسانات فشار در این موتور حول بسامد 10 kHz شدید می‌شود که نشان‌دهنده تطبیق بسامد مد صوتی و تولید گردابه است و با آنچه که با استفاده از روابط تحلیلی موجود محاسبه‌شده، تطابق قابل ملاحظه­ای دارد. در انتها با استفاده از تحلیل بسامد سیگنال نوسانی، عملیات‌های مورد نیاز روی آن انجام شده است.

کلیدواژه‌ها

dor dor:20.1001.1.26455323.1399.16.1.4.8

  1. Ballereau, S., Godfroy, F., Gallier, S., Orlandi, O., Thepenier, J., Robert, E. and Cesco, N. "Evaluation method of thrust oscillations in large SRM-application to segmented SRM's", In47th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, pp. 6054, 2011.##
  2. Culick, F. E. C., and V. Yang. "Prediction of the stability of unsteady motions in solid-propellant rocket motors", pp 719-779, 1992.##
  3. Brown, R. S., R. Dunlap, S. W. Young, and R. C. Waugh. "Vortex shedding as a source of acoustic energy in segmented solid rockets", Journal of Spacecraft and Rockets, Vol. 18, No. 4, pp.312-319, 1981.##
  4. Stella, F., and F. Paglia. "Pressure oscillations in solid rocket motors: Numerical study", Aerospace Science and Technology, Vol. 15, No. 1, pp. 53-59, 2011.##
  5. D Wang, Dapeng, Yuzhuo Yang, Weipeng Fan, Xiaochang Li, and Ye Gao. "Simulation of pressure oscillations in a combustion chamber under periodic inlet disturbances", Acta Astronautica, Vol. 152, pp. 859-871, 2018.##
  6. Flandro, G., and H. Jacobs. "Vortex generated sound in cavities", In Aeroacoustics Conference, pp. 1014, 1973.##
  7. Dotson, K. W., S. Koshigoe, and K. K. Pace. "Vortex shedding in a large solid rocket motor without inhibitors at the segment interfaces", Journal of Propulsion and Power, Vol. 13, No. 2, pp. 197-206, 1997.##
  8. Blomshield, Fred, C. Bicker, Fred Blomshield, and C. Bicker. "Pressure oscillations in shuttle solid rocket motors", In 33rd Joint Propulsion Conference and Exhibit, pp. 3252, 1996.##
  9. Laureti, Mariasole, Giacomo Rossi, Bernardo Favini, and Fabio Paglia. "P80 SRM Pressure Oscillations Reconstruction", In2018 Joint Propulsion Conference, pp. 4789, 2018.##
  10. Zhang, Qiao, Zhi-jun Wei, Wan-xing Su, Jun-wei Li, and Ning-fei Wang. "Theoretical modeling and numerical study for thrust-oscillation characteristics in solid rocket motors", Journal of Propulsion and Power, Vol. 28, No. 2, pp.  312-322, 2012.##
  11. Richard, Julien, Thierry Morel, and Franck Nicoud. "Effect of the fluid–structure interaction on solid rocket motors instabilities", European Journal of Computational Mechanics, Vol. 21, No. 3-6, pp. 337-350, 2012.##
  12. F. Blomshield. "Lessons learned in solid rocket combustion instability", In 43rd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, pp. 5803, 2007.##
  13. Dotson, K. W., J. M. Womack, and P. J. Grosserode. "Structural dynamic analysis of solid rocket motor resonant burning", Journal of Propulsion and Power, Vol. 17, No. 2, pp. 347-354, 2001.##
  14. Derr, R. L., H. B. Mathes, and J. E. Crump. "Application of Combustion Instability Technology to Solid-Propellant Rocket Motor Problems", Journal of Spacecraft and Rockets, Vol. 9, No. 5, pp. 293-294, 1972.##
  15. FLATAU, ALISON, and W. VanMoorhem. "Prediction of Vortex Shedding Responses in Segmented Solid Rocket Motors", 26th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, pp. 2073, 1990.##
  16. Scippa, Sergio, Philippe Pascal, and F. Zanier. "Ariane 5-MPS- Chamber Pressure Oscillations Full Scale Firings Results Analysis and Further Studies", 30th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, pp. 3068, 1994.##
  17. A. Flandro, G. A. "Vortex Driving Mechanism in Oscillatory Rocket Flows," Journal of Propulsion and Power, Vol. 2, No. 3, pp. 206-214, 1986.##
  18. Nomoto, H., and F. E. C. Culick. "an Experimental Investigation of Pure Tone Generation by Vortex Shedding in a Duct",  Journal of Sound and Vibration, Vol. 84, No. 2, pp. 247– 252, 1982.##
  19. J. E. Rossiter. "Wind-Tunnel Experiments on the Flow over Rectangular Cavities at Subsonic and Transonic Speeds", Aeronautical Research Council, Ministry of Aviation, Reports and Memoranda, 1964.##
  20.  Jou, Wen-Huei, and SURESH MENON. "Modes of Oscillation in a Nonreacting Ramjet Combustor Flow", Journal of Propulsion and Power, Vol.6, No. 5, pp. 535–543, 1990.##
  21. Heller, H. H., and D. B. Bliss. "Aerodynamically Induced Pressure Oscillations in Cavities", Physical Mechanisms and Suppression Concepts, Defense Technical Information Center, Air Force Flight Dynamics Lab., 1975.##
  22. M. Bellini. "Launcher/spacecraft coupled loads analysis", Spacecraft Mechanical Loads Analysis Handbook, European Space Agency, ECSS, pp. 156-159, Noordwijk, The Netherland, 2013.##
  23. Dotson, Kirk, and Brian Sako. "An investigation of propulsion-structure interaction in solid rocket motors", In 40th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit, pp. 4183, 2004.##
  24.  Kim, Jinhyeong, Seoryong Park, Wonjong Eun, Sangjoon Shin, and Soogab Lee.  "Vibratory loads and response prediction for a high-speed flight vehicle during launch events", International Journal of Aeronautical and Space Sciences, Vol. 17, No. 4, pp. 551-564, 2016.##
  25. French, Ainslie D., Mario Panelli, Giuseppe Di Lorenzo, Antonio Schettino, and Fabio Paglia. "Combustion Instability and Pressure Oscillation Numerical Simulation in a Solid Rocket Motor", In 53rd AIAA/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference, pp. 4952, 2017.##
  26. Zhang, Qiao, NingFei Wang, JunWei Li, WanXing Su, and Yan Zhang. "Effect of the head cavity on pressure oscillation suppression characteristics in large solid rocket motors", Science China Technological Sciences, Vol. 58, No. 7, PP. 1250-1262, 2015.##
  27. Prevost, Michel, Jean Claude Godon, and O. Innegraeve. "Thrust oscillations in reduced scale solid rocket motors Part I: experimental investigations", In41st AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit, pp. 4003, 2005.##